專利名稱：具有光觸發(fā)的功率半導體元件的火花隙的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種過電壓保護裝置，其包括具有相對設置的電極的火花隙、用于觸發(fā)該火花隙的觸發(fā)電路，和與保護裝置連接的處于地電勢的光源，用于產生可借助至少一個光波導體引入觸發(fā)電路的接收單元的觸發(fā)光，其中該火花隙和觸發(fā)電路處于高壓電勢。
背景技術：
這種過電壓保護裝置按照眾所周知的現(xiàn)有技術已經是公知的。圖1示出了一個這樣的過電壓保護裝置，其具有包括主電極3的主火花隙2。主電極與串聯(lián)電容器并聯(lián)，后者與處于高壓電勢的三相電網連接。通過借助火花隙進行的跨接，保護電容器免受過高的電壓。在此串聯(lián)電容器或其它要保護的電元件設置在一個絕緣的平臺4上，該平臺由柱狀的、圖中未示出的支架支撐，其周圍處于地電勢。從而例如在圖1下方示出的主電極3處于高壓電勢，該高壓電勢與平臺4的高壓電勢對應，而圖1上方示出的主電極3處于三相電網的高壓電勢。在主電極之間的電壓降在大約60kV和160kV之間，從而設置在平臺4上的元件是針對該電壓降來布置的。
為了有效觸發(fā)火花隙2而設置了觸發(fā)電路5以及觸發(fā)電極6，其中觸發(fā)電路5具有電容式分壓器，后者包括第一電容7和第二電容8。第二電容8可以被一個并聯(lián)支路跨接，在該并聯(lián)支路中設置了一個觸發(fā)火花隙9以及與其串連的歐姆電阻10。觸發(fā)火花隙9可以通過控制電路11而轉換到導通狀態(tài)，在該導通狀態(tài)下電流可以流過該并聯(lián)支路并由此實現(xiàn)了對第二電容器8的跨接。通過跨接使觸發(fā)電極6處于下主電極3的電勢，但觸發(fā)電極6在空間上比下主電極3更靠近上主電極3。形成了跳到下主電極3的火花放電?？刂齐娐?1由供電裝置12提供觸發(fā)觸發(fā)火花隙9所需的能量。
觸發(fā)火花隙9的觸發(fā)是主動進行的。在此保護裝置13監(jiān)控三相電網的電測量參數(shù)，如三相電網每一相的交流電，和/或平臺4上的電元件上的電壓降。如果存在諸如超過元件上的閾值電壓等的觸發(fā)條件，則保護裝置13產生觸發(fā)信號，該信號被發(fā)送到半導體激光器14，后者據(jù)此產生光觸發(fā)信號，該光觸發(fā)信號通過光波導體15被輸入作為接收單元的控制電路11。在接收到光觸發(fā)信號或換句話說觸發(fā)光時，控制電路引起對火花隙2的電觸發(fā)。
保護裝置13以及半導體激光器14處于地電勢，從而簡化了在需要時對它們的接近和維護。通過光波導體15可以可靠地引導觸發(fā)光，同時可在處于高壓電勢的平臺4和具有地電勢的過電壓保護裝置1的元件13、14之間保持絕緣。
尤其是由于平臺4上需要的具有供電裝置的電路，公知的過電壓保護開銷很高，并且維護也很費事。

發(fā)明內容
本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種本文開始所述類型的、可靠和成本低廉的過電壓保護。
本發(fā)明是這樣來解決該技術問題的接收單元具有至少一個功率半導體元件，該元件通過觸發(fā)光從流過功率半導體元件的電流被中斷的截止狀態(tài)轉換到電流可以流過功率半導體元件的導通狀態(tài)。
根據(jù)本發(fā)明簡化了對過電壓保護的控制。代之以將觸發(fā)光輸入光電轉換器，例如根據(jù)接收光的強度產生電觸發(fā)信號的二極管，直接將觸發(fā)光引入可用光觸發(fā)的功率半導體元件，該元件通過觸發(fā)而導通電流。通過該方式例如在可以任意連接形式的用于觸發(fā)火花隙的電流支路中短暫地導通電流。與現(xiàn)有技術不同，功率半導體元件不需要處于高壓電勢的需要維護的供電裝置，從而本發(fā)明的過電壓保護就其成本和可靠性來說是很突出的。
優(yōu)選半導體元件構造為反向連接、且可光觸發(fā)的半導體閘流管。半導體閘流管可以主動地只從其截止狀態(tài)轉換到導通狀態(tài)。反向過程是被動發(fā)生的。在流過半導體閘流管的交流電的電流過零點處，交流電低于半導體開關元件的保持電流，從而該半導體開關元件又轉換到其截止狀態(tài)。為了提高電壓的穩(wěn)定性，還可以串聯(lián)多個半導體閘流管。
根據(jù)與此有關的合適的擴展，設置了其它光波導體，從而每個半導體閘流管都可以通過自己的光波導體被供以觸發(fā)光。為了將觸發(fā)光饋入這些其它光波導體，例如設置相應數(shù)量的其它光波導體，它們分別與對應的光波導體連接。與此不同的還可以采用一個或多個光耦合器，用于根據(jù)需要將一個光源的觸發(fā)光分配給現(xiàn)有的光波導體。光耦合器根據(jù)現(xiàn)有技術是公知的，因此這里不需要對其作用方式詳細描述。
優(yōu)選觸發(fā)電路包括具有電容器的電容式分壓器，該電容器可借助功率半導體元件被跨接。通過跨接分壓器的一個電容器，例如可以產生電流脈沖，從而可以通過線圈在使得火花隙被觸發(fā)的觸發(fā)線圈中產生電壓脈沖。
與此不同，觸發(fā)電路與觸發(fā)電極連接，觸發(fā)電極到火花隙的第一電極的距離小于第一電極和與其相對的第二電極之間的距離，在此借助觸發(fā)電路為觸發(fā)電極施加第二電極的電勢。
在一合適的變形中，火花隙具有至少兩對相對設置的電極，這些電極相互串聯(lián)，其中可被跨接的電容器與相對設置的電極中的一對并聯(lián)。換句話說火花隙由兩個或多個子火花隙組成。在電容器被跨接之后，先前降落在所有子火花隙上的電壓現(xiàn)在降落在未被跨接的子火花隙上。由于未被跨接的子火花隙上因此而提高的電壓降，在這些子火花隙上出現(xiàn)了電火花。在半導體元件轉換到其截止狀態(tài)之后，在與電容器并聯(lián)的子火花隙上降落的電壓也增大，該增大的電壓降在此也會引起電火花。
在本發(fā)明的范圍中還可以通過功率半導體元件觸發(fā)輔助火花隙，該輔助火花隙是觸發(fā)電路的一部分，在此通過觸發(fā)輔助火花隙觸發(fā)與受保護的元件并聯(lián)的火花隙。在需要的情況下觸發(fā)電路包括多個相互串連的輔助火花隙，用于提高觸發(fā)電路的電壓穩(wěn)定性。在此，如前所述，通過功率半導體元件僅跨接一個輔助火花隙就足夠了。
根據(jù)本發(fā)明的一優(yōu)選擴展，火花隙和觸發(fā)電路設置在由支架絕緣支撐的平臺上，該平臺用于承載為了改善在引入交流電壓的能量分配電網中的功率傳輸而設置的元件。這些元件例如是電容器或線圈，它們用于補償無功功率，并且串聯(lián)或并聯(lián)地連接在三相電網中。通過該方式可以避免元件的處于高壓電勢的接頭和處于地電勢的接頭之間出現(xiàn)過大的距離。通過與過電壓保護裝置的并聯(lián)連接，可以保護元件免受過電壓。
根據(jù)本發(fā)明，光源例如是合適的激光器。激光器可以設置為與控制單元直接相鄰，其中用于觸發(fā)過電壓保護的激光脈沖通過未導通的光波導體發(fā)射到平臺，并在那里被功率半導體元件接收，由此提供了對火花隙的觸發(fā)以及對平臺上期望元件的保護。作為激光器合適的例如是半導體激光器，其激光脈沖通過耦合元件耦合到光波導體中。與此不同，還可以在光波導體中集成通過半導體激光器提供動力的纖維激光器。在此該半導體激光器與保護裝置連接，該保護裝置又由測量發(fā)生器提供電測量參數(shù)，該參數(shù)例如測量設置過電壓保護裝置來保護的元件上的電壓降。該元件例如是設置在平臺上的與三相電網的一相串連的電容器。由測量發(fā)生器產生的測量值被掃描和數(shù)字化，其中保護裝置通過在其中實現(xiàn)的邏輯電路將從測量值中推導出的數(shù)字電壓值與觸發(fā)條件比較，在存在觸發(fā)條件時產生觸發(fā)信號，該觸發(fā)信號使半導體激光器發(fā)射激光脈沖。


下面參照附圖對本發(fā)明的實施例的描述給出本發(fā)明的其它合適的結構和優(yōu)點，其中圖1示出根據(jù)現(xiàn)有技術的公知過電壓保護裝置，圖2以示意圖示出本發(fā)明的過電壓保護裝置的實施例，圖3以示意圖示出本發(fā)明的過電壓保護裝置的另一實施例。
具體實施例方式
圖1示出已經描述過的、按照現(xiàn)有技術的過電壓保護裝置。
圖2示出本發(fā)明的過電壓保護裝置1的實施例，其設置用于保護圖中未示出的元件，例如高壓電容器，在此，高壓電容器與高壓三相電網串聯(lián)。如已經結合圖1所描述的，設置在平臺4上的電元件處于高壓電勢，其電壓降相對于三相電網的每個相處于平均電壓范圍內。通過該方式避免了過大的距離，以促成所需要的電壓穩(wěn)定性。該過電壓保護裝置與要保護的元件并聯(lián)。
與圖1的過電壓保護裝置一樣，按照圖2的過電壓保護裝置1被主動觸發(fā)，其中在要保護的元件上降落的電壓值被輸入保護裝置13，該保護裝置13就是否出現(xiàn)觸發(fā)條件檢查該電壓值。如果在要保護的元件上降落的電壓例如超過最大的閾值，則該保護裝置產生電觸發(fā)脈沖來觸發(fā)激光器14，該激光器據(jù)此產生光脈沖作為可以耦合到光波導體15中的觸發(fā)光。沒有電導通的光波導體15在其離開激光器14的末端與半導體閘流管16連接，后者在通過光波導體15獲得觸發(fā)脈沖之后從流過半導體閘流管16的電流被中斷的截止狀態(tài)轉換到電流可以在該方向流動的導通狀態(tài)。
所示出的過電壓保護裝置1是為交流電設置的，因此為了提供不同極性的電流的導通將兩個反向連接的半導體閘流管16并聯(lián)連接。第二半導體閘流管16也與引向激光器14的光波導體15耦合。在此激光器14配備了根據(jù)保護裝置13上的不同控制信號將觸發(fā)光耦合到一個或多個光波導體15中的裝置。
如果一個半導體閘流管16處于導通狀態(tài)，則與圖2的上主電極3之間的距離小于下主電極3與上主電極之間的距離的觸發(fā)電極6連接在下主電極的電勢上。由于距離的減小，在上主電極3和觸發(fā)電極6之間導致?lián)舸?，其中只要兩個半導體閘流管16又處于其截止狀態(tài)，則上主電極的觸發(fā)火花就跳到下主電極。這會在交流電的電流過零點時出現(xiàn)。
圖3以示意圖示出本發(fā)明的過電壓保護裝置1的另一實施例?；鸹ㄏ?在此由兩個子火花隙17組成，它們分別具有一對相對設置的電極3。子火花隙17串聯(lián)連接，并分別與一個電容器7、8并聯(lián)。在電容器8通過觸發(fā)半導體閘流管16被跨接時，總電壓降落在圖3的上子火花隙17上，后者的電極具有不足以保持總電壓的距離。這就形成觸發(fā)火花。在半導體閘流管16轉換到截止狀態(tài)之后，總電壓降落在圖3的下子火花隙17上，后者據(jù)此同樣觸發(fā)。每個子火花隙都具有自己的密閉外罩18。
通過子火花隙17的串聯(lián)連接，火花隙2可以一起用于較高的電壓，而不必忍受涉及其控制可能性的缺陷。從而圖3中示出的火花隙用于160kV到300kV之間的電壓。相反圖2中示出的過電壓保護裝置則優(yōu)選用于60kV到160kV之間的電壓。
權利要求
1.一種過電壓保護裝置(1)，包括具有相對設置的電極(3)的火花隙(2)、用于觸發(fā)該火花隙(2)的觸發(fā)電路(5)，和與保護裝置(13)連接的處于地電勢的光源(14)，用于產生可借助至少一個光波導體(15)輸入觸發(fā)電路的接收單元的觸發(fā)光，其中該火花隙(2)和觸發(fā)電路(5)處于高壓電勢，其特征在于，所述接收單元具有至少一個功率半導體元件(16)，該功率半導體元件(16)通過該觸發(fā)光從流過功率半導體元件(16)的電流被中斷的截止狀態(tài)轉換到電流可以流過功率半導體元件(16)的導通狀態(tài)。
2.根據(jù)權利要求1所述的過電壓保護裝置(1)，其特征在于，所述半導體元件構造為反向連接、且可被光觸發(fā)的半導體閘流管(16)。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的過電壓保護裝置(1)，其特征在于，所述觸發(fā)電路(5)具有電容器(8)的電容式分壓器(7，8)，該電容器可借助所述功率半導體元件(16)被跨接。
4.根據(jù)上述權利要求之一所述的過電壓保護裝置(1)，其特征在于，所述觸發(fā)電路(5)與觸發(fā)電極(6)連接，該觸發(fā)電極(6)到所述火花隙(2)的第一電極(3)的距離小于該第一電極(3)和與其相對的第二電極(3)之間的距離，其中，借助所述觸發(fā)電路(5)給觸發(fā)電極(6)施加第二電極(3)的電勢。
5.根據(jù)權利要求1至3中任一項所述的過電壓保護裝置(1)，其特征在于，所述火花隙(2)具有至少兩對相對設置的電極(3)，這些電極(3)相互串聯(lián)地設置，其中，可被跨接的電容器(8)與該相對設置的電極(3)中的一對并聯(lián)。
6.根據(jù)上述權利要求之一所述的過電壓保護裝置(1)，其特征在于，所述火花隙(2)和觸發(fā)電路(5)設置在由支架絕緣支撐的平臺(4)上，該平臺用于承載為了改善能量分配電網中的功率傳輸而設置的組件。
全文摘要
為了提供一種可靠和成本低廉的過電壓保護裝置(1)，其包括具有兩個相對設置的電極(3)的火花隙(2)、用于觸發(fā)該火花隙(2)的觸發(fā)電路(5)，和與保護裝置(13)連接的處于地電勢的光源，用于產生可借助至少一個光波導體(15)輸入觸發(fā)電路(5)的接收單元的觸發(fā)光，其中該火花隙(2)和觸發(fā)電路(5)處于高壓電勢，建議接收單元具有至少一個功率半導體元件(16)，該功率半導體元件通過觸發(fā)光從流過功率半導體元件(16)的電流被中斷的截止狀態(tài)轉換到電流可以流過功率半導體元件(16)的導通狀態(tài)。
文檔編號H01T2/00GK1910798SQ200580002392
公開日2007年2月7日 申請日期2005年1月10日 優(yōu)先權日2004年1月13日
發(fā)明者威爾弗里德·布魯爾, 彼得·門克 申請人:西門子公司